Оценка естественной защищенности подземных вод от загрязнения (на примере бассейна реки Прут в пределах Черновицкой области)

Проблема защищенности подземных вод от загрязнения чрезвычайно важна, поскольку загрязняющие вещества природного и антропогенного происхождения могут попадать в подземные воды в результате захоронения или размещения их на поверхности. Они проникают через почвенный горизонт, зону аэрации и достигают водоносного горизонта. Защищенность подземных вод от загрязнения должна учитываться при анализе сельскохозяйственного использования территории (главным образом в аспекте применения удобрений), планировании и проектировании хозяйственного развития территории, локализации объектов, опасных для качества подземных вод.

Оценка естественной защищенности подземных вод имеет большое значение для территорий, где водоснабжения населения базируется исключительно на ресурсах подземных вод. В Украине к ним относятся сельские местности.

Поэтому актуальность исследования определяется необходимостью изучения естественно обусловленной устойчивости подземных вод к загрязнению в бассейне Прута для научного обоснования территории повышенной уязвимости подземных вод в аспекте ухудшения их качества.

К настоящему времени отечественными и зарубежными специалистами разработан ряд методик оценки естественной защищенности подземных вод и тесно связанных с ними соответствующих карт [1-4]. Эти методики имеют прикладной характер и иногда успешно решают конкретные задачи, но в то же время не могут быть признаны полностью удовлетворительными и универсальными.

Объекты и методы исследований

Целью исследования является конструктивно-географическая оценка природной защищенности подземных вод бассейна реки Прут от загрязнения в пределах Черновицкой области.

Объектом исследования являются воды первого водоносного горизонта в бассейне реки Прут в пределах Черновицкой области. Важность исследования сводится к тому, что подземные воды являются единственным источником водоснабжения городских и сельских населенных пунктов, в т.ч. г. Черновцы. Их роль на данной территории трудно переоценить. С одной стороны, это важный природный ресурс, качество которого существенно влияет на здоровье населения, с другой - одна из подвижных и одновременно одна из наиболее уязвимых составляющих природной среды, что предопределяет его свойства.

Предметом исследования является конструктивно-географический анализ гидрогеолого-геоморфологических характеристик, определяющих естественную защищенность подземных вод бассейна Прута, оценка их пространственного распределения, а также гидрохимических показателей загрязненности вод.

Чаще всего под понятием «естественная защищенность подземных вод от загрязнения» понимают природное свойство водоносной системы, обусловленное ее гидрогеологическими характеристиками, от которой зависит риск миграции загрязняющих субстанций с поверхности территории в подземные воды [5-7]. Защищенность подземных вод от загрязнения свидетельствует о возможности их охраны естественным способом. Соответствующее геологическое строение и гидрогеологические условия могут значительно влиять на опоздание и ограничения миграции загрязняющих субстанций. К главным факторам, от которых зависит проникновение загрязнений с поверхности до водоносного горизонта являются: степень изоляции от поверхности; способ его питания; скорость и направление движения подземных вод.

Защищенность подземных вод от загрязнения в значительной степени зависит от скорости движения инфильтрационных вод. Считается, чем короче время миграции воды из дневной поверхности до уровня залегания первого водоносного горизонта, тем больше риск проникновения загрязняющих субстанций.

Для оценки защищенности подземных вод от загрязнения применяются различные методы. Всего их можно разделить на:

• 1)    такие, что за основу оценки принимают измерительные критерии, которые можно выразить количественно - это время миграции консервативных загрязнений с поверхности территории до водоносного горизонта, мощность изоляционных слоев и т.д. [8-11];

• 2)    такие, основанные на ранговой системе - когда каждому параметру присваивается ранг и точечная значимость, так называемые методы индексации параметров, которые оказывают наибольшее влияние на возможность загрязнения подземных вод. Примерами являются широко применяемая методика DRASTIC, DYVERSITY [12] и многие другие;

• 3)    методы математического и гидрогео-химического моделирования, которые делают прогнозные расчеты с помощью модели фильтрации и транспорта веществ [13].

Оценка защищенности подземных вод от загрязнения прежде всего базируется на конструктивно-географическом изучении гидрогеологической системы, а не автоматически применяет самые распространенные методы. Интерпретация результатов защищенности подземных вод от загрязнения требует в каждом случае индивидуального подхода и учета специфики территории.

Результаты и их обсуждение

Самой распространенной контрольной методикой оценки естественной защищенности, является методика DRASTIC, которая рекомендована американской организацией EPA [14] для территорий, поверхность которых больше, чем 0,5 км2. В этой методике заложено, что:

• 1)    загрязнения поступают в водоносный горизонт с дневной поверхности;

• 2)    загрязнения перемещаются в водоносном горизонте вместе с движением подземных вод;

• 3)    движение подземных вод происходит линейно (пориста среда).

В системе учтены семь важнейших факторов, имеющих существенное влияние на возможность проникновения загрязнений с поверхности территории в подземные воды. Название системы является акронимом, образованным из первых букв названий этих факторов:

В методике DRASTIC используется расчетный метод, будучи комбинацией рангов и веса. Каждому фактору в зависимости от его роли в процессе потенциального загрязнения, приписывается разная степень значимости, то есть вес в пределах от 1 до 5. Каждый параметр занимает также соответствующий класс стоимости и ему назначается ранг, то есть определенная балльная оценка в пределах от 1 до 10. Самый высокий ранг (10) характерен для благоприятных условий к загрязнению, ранг меньше (1) соответствует условиям, которые ограничивают возможность загрязнения подземных вод.

Таблица 1 – Репрезентативные величины основных параметров методики DRASTIC для бассейна Прута в пределах Черновицкой области

№	Параметр	Классы величин параметра	Вес, балл	Ранг
1	D–глубина до 1 водоносного	0 – 1,5	5	10
	горизонта (м)	1,5 – 4,5		9
		4,5 – 9,0		7
		9,0 – 15,0		5
		15,0 – 22,0		3
		22,0 – 30,0		2
		> 30		1
2	I – литология зоны аэрации	галечник, гравий, песок, супесь,	5	8
		суглинок легкий, пористый,		6
		суглинок тяжелый или средний		4
				3
3	R – эффективная инфильтра-	15 – 25	4	2
	ция (мм/год)	25 – 35		3
		35 – 45		4
		45 – 55		5
		55 – 65		6
		> 65		8
4	A – литология водоносного	галечник, гравий, песок речной,	3	8
	горизонта	песок разнозернистый с примесью		6
		суглинков и супесей,		4
		песок разнозернистый с примесью
		галечника		2
5	C – коэффициент фильтра-	< 4	3	1
	ции отложений водоносного	4 – 12		2
	горизонта (м/сутки)	12 – 28		4
		28 – 40		6
		> 41		8
6	S – вид почвенного покрова	Песчаные супесчаные	2	9
		песчано-легкосуглинистые		8
		пылевато-легкосуглинистые		7
		песчано-среднесуглинистые		6
		пылевато-среднесуглинистые		6
		песчано-тяжелосуглинистые		5
		тяжелосуглинистые		5
		легкоглинистые		4
				4
7	T – топография местности	0 – 2	1	10
	(наклон) (%)	2 – 6		9
		6 – 12		5
		12 – 18		3
		> 18		1

Карты, разработанные с помощью этой методики, показывают пространственное распределение величины показателя ИЗПВ (Индекс Защищенности Подземных Вод). Они могут быть основным средством в управлении средой. Показатель ИЗПВ является суммой произведений веса и ранга и является 7

X окончательной оценкой: ИЗПВ = n = 1 (вес параметра х ранг параметра), то есть ИЗПВ ^ 7

X

• n = 1   = ИЗПВ_р, где ИЗПВ у - интегральный

показатель ИЗПВ; ИЗПВ P - показатели ИЗПВ для каждого параметра (вес параметра * ранг параметра).

Из вышеприведенного уравнения следует, что чем выше величина показателя ИЗПВ, тем больше естественная защищенность подземных вод от загрязнения.

Интегральный показатель защищенности подземных вод от загрязнения (индекс Di DRASTIC) рассчитывается как осреднен-ная сумма семи информационных слоев:

Di = Dr * Dw + Rr * Rw + Ar * Ar + Sr * Sw + Tr * Tw + Ir * Iw + Cr * Cw, где: D, R, A, S, T, I, и C - семь параметров, r - диапазон величины, w - вес, ассоциированный с каждым из параметров.

Из уравнения следует, что чем выше величина интегрального показателя, тем больше естественная защищенность подземных вод от загрязнения.

Исследуемая территория охвачена детальной системой локального мониторинга подземных вод. Для нужд оценки естественной защищенности подземных вод от загрязнения осуществлены детальные исследования таких параметров как: глубина залегания подземных вод, эффективная инфильтрация вод, литология водоносного горизонта, механический состав почв, угол наклона дневной поверхности, литология пород зоны аэрации, коэффициент фильтрации водоносного горизонта. Результаты исследований [15-18] позволили сформировать подробную базу данных для оценки роли и величины критериев при оценке природной защищенности подземных вод. Проанализированы угрозы для качества и уровней подземных вод, характерных для территории исследования.

Оценка естественной защищенности бассейна реки Прут была проведена по методике DRASTIC, параметры которой были переведены в форму псевдосплошного распре- деления, который выражается как регулярная сеть сетки, что имеет размер 100 м на 100 м. Масштаб 1:200 000 был выбран, учитывая степень детальности пространственных гидрогеологических данных и особенности методики, предназначенной только для исследований регионального уровня. Показатель ИЗПВΣ рассчитан для каждого блока дискретного пространства, то есть для участка 100 м на 100 м. Таким способом впервые получена такая высокая точность оценки естественной защищенности подземных вод бассейна Прута. Величины были определены для около 62000 блоков сетки дискретного пространства. Картосхема естественной защищенности подземных вод от загрязнения составляет эффект интерполяции рассчитанного показателя ИЗПВ для каждого геометрического центра сетки дискретного пространства.

На базе исходных данных и расчетов, согласно методике DRASTIC, принята несколько модифицированная, адаптированная к специфике исследуемой территории, классификация естественной защищенности подземных вод, которая зависит от границ изменчивости индекса ИЗПВ.

По методике DRASTIC на основе ИЗПВ выделено 6 классов природной защищенности подземных вод бассейна Прута (табл. 2).

Таблица 2 – Площадь территории в пределах определенного класса природной защищенности подземных вод от загрязнения

ИЗПВ Σ	к d> К	Естественная защищенность подземных вод от загрязнения	Площадь территории в пределах класса (км2)	Доля класса в общей площади территории исследования (%)
< 100	A	очень низкая	10	0,42
100-125	B	низкая	9	0,4
126-150	C	средняя	265	10,9
151-175	D	средневысокая	397	16,33
176-200	E	высокая	635	26,12
> 200	F	очень высокая	1115	45,83
Вместе		2431 км2 – территория исследований		100 %

По результатам проведенных нами конструктивно-географических исследований установлено, что гидрогеологический полигон, в пределах которой расположен бассейн реки Прут в Черновицкой области, характеризуется преимущественно высокой (46% территории – более 1115 км2), средневысокой (16% территории – более 397 км2) и средней

(11% территории или 265 км2) естественной защищенностью подземных вод от загрязнения. Локально распространены районы с низкой и очень низкой защищенностью подземных вод от загрязнения. Например, территория с низкой защищенностью от загрязнения подземных вод занимает около 9 км2, а с очень низкой – 10 км2.

Рис. 1. - Картосхема естественной защищенности первого водоносного горизонта от загрязнения (бассейн реки Прут в пределах Черновицкой области)

В целом, высокая защищенность подземных вод (низкий риск загрязнения) характерна для большей части территории исследования, за исключением долин и нижних террас рек (рис. 1). Очень низкая естественная защищенность от загрязнения подземных вод наблюдается в поймах рек Черемоша, Прута и их притоков.

Методика DRASTIC может быть использована для предварительных оценок. С помощью этого метода невозможно точно прогнозировать поведение загрязняющих веществ, поскольку они обладают определенными свойствами, а также могут попадать в водоносный горизонт в результате перетока с глубоко залегающих горизонтов. Однако, с помощью этого метода можно выделять, для предварительного прогноза, территории с разной степенью защищенности.

Одной из задач проведенного исследования была верификация оценки естественной защищенности подземных вод на основании собственных исследований химического состава в бассейне реки Прут (в пределах Черновицкой области) в апреле, июне и декабре 2009 - 2010 годов.

Оценка качества вод первого водоносного горизонта базировалась на результатах, которые охватывали спектр физико-химических свойств воды (температура, окислительно-восстановительный потенциал, электролитическая проводимость, рН), биогенных веществ (аммонийный, нитритная, нитратный азот, фосфаты и общее железо) [19] и газов (растворенный кислород). Гидрохимические исследования проводились в полевых условиях при использовании портативных приборов и колориметра фирмы SLANDI, учитывая значительную трансформационную способность вышеупомянутых соединений.

Для исследования качества подземных вод бассейна Прута в пределах Черновицкой области было избрано 70 колодцев. Принцип выбора данных колодцев заключался в как можно более широком изучении качества подземных вод на территориях с благоприятными природными условиями по вертикальной миграции загрязнений.

На основании конструктивно-географического анализа динамики и концентрации гидрогеохимических показателей можно утверждать, что на территории исследования естественная защищенность подземных вод частично детерминирует их качество. Самая высокая корреляция наблюдается в фоновых гидрохимических условиях, особенно на водоразделах, которые обладают очень высокой естественной защищенностью подземных вод от загрязнения. Антропогенное воздействие значительно модифицирует эту зависимость, локально даже делает невозможным. В данном случае детерминирующих фактором для качества подземных вод является не естественная их защищенность, а уровень антропогенной нагрузки, то есть риск загрязнения.

Заключения, выводы

Оценка качества подземных вод бассейна реки Прут в Черновицкой области требует дополнительных исследований. К первоочередным мерам по устойчивому развитию ресурсов подземных вод региона следует отнести: 1) проведение новой, более реалистичной и качественной оценки ресурсов подземных вод с использованием современных методических подходов. В частности, методические документы по изучению качества подземных вод при разведке и их мониторинга должны включать обоснованный перечень приоритетных показателей, составленных с учетом региональных гидрогеологических, геохимических и экологических условий, регламент проведения режимных наблюдений и его корректировки при изменении природных и антропогенных факторов; 2) совершенствование природоохранной нормативной базы; 3) увеличение объемов и эффективности водоохранных мероприятий; 4) усиление контроля и штрафные санкции в отношении предприятий, хозяйств и отдельных лиц, которые нарушают водоохранное законодательство; 5) развитие экологической культуры населения и тому подобное.

Внедрение таких направлений требует тесного взаимодействия всех ветвей власти с общественностью, поскольку идея сохранения природного качества подземных вод бассейна реки Прут в пределах Черновицкой области носит прежде всего характер доминирующей социальной составляющей: для удовлетворения потребностей, улучшения здоровья и повышения благосостояния каждого.